姜舟婷 焦志偉 徐鵬

摘 要 專題化教學(xué)指把教學(xué)內(nèi)容分解成適當(dāng)?shù)奈锢韺ｎ}，以專題的形式來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容，從而拓展學(xué)生知識(shí)面的教學(xué)模式。本文介紹了在《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》課程中實(shí)施專題化教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分組討論的形式，讓學(xué)生通過(guò)不同專題的學(xué)習(xí)掌握相關(guān)的教學(xué)知識(shí)，從而增強(qiáng)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 專題化 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.09.051

Exploration and Practice of Thematic Teaching Mode in the

"Thermodynamics and Statistical Physics" Course

JIANG Zhouting， JIAO Zhiwei， XU Peng

（Physics Department， College of Science， China Jiliang University， Hangzhou， Zhejiang 310018）

Abstract Thematic teaching refers to the teaching content broken down into appropriate physical topics， in the form of themes to organize the teaching content to expand student knowledge of the teaching mode. This article describes the implementation of thematic teaching in the "Thermodynamics and Statistical Physics" course guide students through the form of group discussions， so that students learn to master the different topics related to teaching knowledge， thereby enhancing the effectiveness of teaching.

Key words thematic; Thermodynamics and Statistical Physics; teaching practice

1 “熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程的特點(diǎn)

“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程是物理學(xué)或者應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的主干必修課程。它主要研究大量粒子組成的熱力學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)影響。該門課程的研究方法和研究結(jié)果已廣泛地應(yīng)用在化學(xué)、生物、氣象、生態(tài)等其他各門基礎(chǔ)學(xué)科之中。①

“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”作為理論物理中四大經(jīng)典力學(xué)課程之一，和其它理論物理課相似，具有嚴(yán)密的邏輯推理和完備的物理思想。本課程主要是讓學(xué)生在完成普通物理學(xué)、熱學(xué)、原子物理學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用高等數(shù)學(xué)對(duì)物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律有較系統(tǒng)和深入的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，牢固掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本原理、基本理論框架和知識(shí)要點(diǎn)，以及運(yùn)用熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理基本思想和知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的技能和方法。

在我們的前期調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際教學(xué)過(guò)程中大多數(shù)教師感到困難，特別是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)部分，老師講得抽象，學(xué)生聽得含糊。本課程為物理專業(yè)的學(xué)生接觸到的第一門理論物理課程，與普通物理課程相比，學(xué)生第一次學(xué)習(xí)采用一套全新的理論研究方法——統(tǒng)計(jì)方法來(lái)研究科學(xué)問(wèn)題，這需要學(xué)生具有概率論的數(shù)學(xué)儲(chǔ)備知識(shí)的同時(shí)，還要求學(xué)生對(duì)統(tǒng)計(jì)物理的基本概念和圖像有明確的認(rèn)知。而這種物理思維的鍛煉在以往的普通物理課程中并沒(méi)有直接嘗試過(guò)，讓學(xué)生一下子很難適應(yīng)，明顯感到學(xué)習(xí)阻力。此外，由于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理課程中還需要通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出物理規(guī)律和結(jié)論，這占用了大部分的課堂時(shí)間，但是實(shí)際教學(xué)效果往往欠佳。比如通過(guò)統(tǒng)計(jì)理論給出理想氣體的物態(tài)方程時(shí)，結(jié)論很簡(jiǎn)單，但是推導(dǎo)過(guò)程卻比較復(fù)雜，學(xué)生上課很容易走神。這種注入式教學(xué)，教師講學(xué)生聽，缺少師生間的互動(dòng)，讓學(xué)生覺(jué)得這門課程熱力學(xué)部分只是大堆的偏導(dǎo)數(shù)，統(tǒng)計(jì)物理部分就是各種分布，要理解透徹很難。

目前，隨著高校招生規(guī)模大幅增加，生源質(zhì)量有所下滑，入校學(xué)生學(xué)習(xí)能力參差不齊，很多學(xué)生在中學(xué)階段對(duì)物理就缺乏興趣且基礎(chǔ)薄弱，長(zhǎng)此以往導(dǎo)致厭學(xué)，甚至恐懼。目前眾多院校在大力開展專業(yè)課程建設(shè)的同時(shí)，大幅縮減專業(yè)基礎(chǔ)課的課時(shí)，“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”課程也不例外，從最初的68個(gè)課時(shí)減少到目前48個(gè)課時(shí)，若仍遵循原有的教學(xué)模式，把大量的教學(xué)內(nèi)容講透是很難達(dá)到的。因此，引導(dǎo)學(xué)生開展專題化實(shí)踐性學(xué)習(xí)是非常必要的，它一方面能在有限教學(xué)時(shí)間內(nèi)幫助學(xué)生加深專業(yè)知識(shí)的理解;另一方面對(duì)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、有效溝通能力等方面也起到積極的作用。②

2 專題化教學(xué)模式的實(shí)踐

專題化教學(xué)是指把教學(xué)內(nèi)容分解成適當(dāng)?shù)奈锢韺ｎ}，以專題的形式來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容，從而拓展學(xué)生知識(shí)面的教學(xué)模式。選擇好特定的物理專題，通過(guò)教師講授——學(xué)生分組討論——教師總結(jié)評(píng)價(jià)的形式，讓學(xué)生掌握特定的物理知識(shí)、研究問(wèn)題的科學(xué)方法以及了解國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展。在“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程中實(shí)施專題化的教育模式，不僅使學(xué)生由點(diǎn)及面系統(tǒng)地掌握知識(shí)，而且對(duì)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，大大提高他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，并激發(fā)創(chuàng)新實(shí)踐。具體實(shí)施過(guò)程包括：

2.1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程由“熱力學(xué)”和“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”兩部分組成，前者是研究熱現(xiàn)象和物質(zhì)性質(zhì)的宏觀唯象理論，后者是熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)理論，兩者研究手段不同，但又是相互聯(lián)系的統(tǒng)一的理論體系。在專題化教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們可以把“熱力學(xué)”與普通物理課程“力學(xué)與熱學(xué)”中的熱學(xué)部分進(jìn)行整合，③比如溫度、熱平衡、功、內(nèi)能、熱量、熱力學(xué)第一定律和第二定律在兩門課程中都出現(xiàn)，就無(wú)需重復(fù)講解，杜絕繁冗，充實(shí)內(nèi)容，提高教學(xué)效率。本課程的教學(xué)內(nèi)容和普通物理課程相比，存在大量抽象的理論和模型，如果采用傳統(tǒng)的注入式教學(xué)，很容易使學(xué)生感到枯燥無(wú)味，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

2.2 教學(xué)專題的設(shè)計(jì)

“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程由“熱力學(xué)”和“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”兩部分組成，前者是研究熱現(xiàn)象和物質(zhì)性質(zhì)的宏觀唯象理論，后者是熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)理論，兩者研究手段不同，但又是相互聯(lián)系的統(tǒng)一的理論體系?！盁崃W(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”這門課程就其本身而言，具有較強(qiáng)的專題性，例如熵、激光致冷、玻色—愛因斯坦凝聚、固體的熱容量、原子激光等都可以作為適當(dāng)?shù)膶ｎ}進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。選擇好專題內(nèi)容后，以此內(nèi)容為核心，并附加一些與本專題相關(guān)的輔導(dǎo)資料，突出專題教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)的同時(shí)，也增大了信息量。譬如，選擇相平衡理論作為專題教學(xué)時(shí)，可將液滴的形成過(guò)程作為研究性材料，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)復(fù)相平衡理論在液滴形成過(guò)程中的應(yīng)用，對(duì)相平衡的概念有更全面、深入地認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

學(xué)生對(duì)專題的研究過(guò)程，是整理經(jīng)驗(yàn)材料，提出科學(xué)假說(shuō)，構(gòu)造理論系統(tǒng)，進(jìn)行推理證明的過(guò)程，比較和分類，歸納和演繹，分析和綜合，證明和反駁，以及類比、公理化等邏輯方法的運(yùn)用，對(duì)提高他們的理論應(yīng)用和創(chuàng)新能力都有非常大的幫助。其次，學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用理性思維能力，或簡(jiǎn)化復(fù)雜因素，純化主要因素，用理想化的客體或?qū)嶒?yàn)進(jìn)行研究，或根據(jù)已知的科學(xué)事實(shí)和科學(xué)原理，對(duì)探究的科學(xué)問(wèn)題提出一種假設(shè)或?qū)碚撃Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化。這些科學(xué)研究方法教育在熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理中的滲透，與知識(shí)教學(xué)、能力培養(yǎng)緊密聯(lián)系在一起。

另外，在我們的日常生活中，特別是廚房的角角落落，用到非常多的熱物理學(xué)知識(shí)。譬如灶具的進(jìn)化，炊具的外觀設(shè)計(jì)，保溫瓶灌開水的小竅門，冰箱的制冷過(guò)程，電飯煲的工作原理，熱鍋上的水珠為什么能像水銀珠滾在玻璃上等等。對(duì)這些簡(jiǎn)單的生活現(xiàn)象和科學(xué)問(wèn)題的解釋完全可以讓學(xué)生自己結(jié)合課程內(nèi)容完成。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐能動(dòng)性充分調(diào)動(dòng)了起來(lái)，使他們把已經(jīng)學(xué)過(guò)的課程內(nèi)容在生活實(shí)際中得到擴(kuò)展和深化。也讓同學(xué)們?cè)谡莆栈A(chǔ)熱力學(xué)知識(shí)的同時(shí)，通過(guò)體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，受到科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法的訓(xùn)練和熏陶。

2.3 實(shí)踐教學(xué)的強(qiáng)化

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容劃分為幾個(gè)教學(xué)模塊（均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)、相平衡、近獨(dú)立粒子統(tǒng)計(jì)分布、系綜理論等），每個(gè)模塊設(shè)立3～4個(gè)專題。在設(shè)置教學(xué)專題時(shí)，盡量使每個(gè)專題有相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容。教師講授環(huán)節(jié)，理論教學(xué)需要突出重點(diǎn)，對(duì)每個(gè)專題的基本概念、基本理論和重要的公式進(jìn)行重點(diǎn)闡述和必要的推導(dǎo)，讓學(xué)生能夠清晰明了地掌握理論體系的精髓。選擇相關(guān)的題材新穎、結(jié)論開放的內(nèi)容作為專題拓展部分，采取學(xué)生分組討論的形式，最后要求每個(gè)小組在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，以合作研究的方式，交一份總結(jié)報(bào)告或者成果演示。小組的組建可以是自愿的，也可以由老師在學(xué)期初就把教學(xué)班級(jí)分解成若干個(gè)小組，每組4～5名學(xué)生，并由一名同學(xué)擔(dān)任組長(zhǎng)，組織學(xué)生進(jìn)行討論。教師對(duì)這些報(bào)告和成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，給整個(gè)小組一個(gè)總分。小組長(zhǎng)可以根據(jù)成員的表現(xiàn)，在討論和撰寫報(bào)告中的所起的作用和貢獻(xiàn)大小，對(duì)這個(gè)分值進(jìn)行二次分配。通過(guò)這些教學(xué)實(shí)踐，一方面幫助同學(xué)們深化理解教學(xué)專題的內(nèi)容，另一方面，拓展學(xué)生專業(yè)知識(shí)視野，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，通過(guò)團(tuán)隊(duì)討論，也有助于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)、互助、友愛的道德品質(zhì)，成為善于合作，心理健康，團(tuán)結(jié)友善的班組一份子。

2.4 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的改革

課程評(píng)價(jià)對(duì)課程的實(shí)施起著重要的導(dǎo)向作用。④在以往的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)大多采用“平時(shí)成績(jī)+期末考試”，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的30%，期末考試占總評(píng)成績(jī)的70%。這種評(píng)價(jià)方法缺少實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，學(xué)生會(huì)更多地采用臨考突擊，死記硬背考點(diǎn)來(lái)獲取高分。這對(duì)平時(shí)注重知識(shí)的理解和積累，但由于臨場(chǎng)發(fā)揮不佳的學(xué)生是有失公平，長(zhǎng)期以往，傷害了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)不到良好的教學(xué)效果。⑤本次專題化教改實(shí)踐中，老師加大平時(shí)成績(jī)的比重，根據(jù)學(xué)生對(duì)專題內(nèi)容的理解和完成情況，以及創(chuàng)造性解決實(shí)際問(wèn)題的能力，對(duì)團(tuán)隊(duì)整體給予總體評(píng)價(jià)，小組長(zhǎng)還可以根據(jù)組員在討論中表現(xiàn)的積極性、活躍度、配合度等方面的表現(xiàn)，對(duì)總成績(jī)的分值進(jìn)行二次分配。期末考試則主要考查學(xué)生對(duì)熱學(xué)和統(tǒng)計(jì)理論的宏觀掌握水平。在考題的設(shè)計(jì)上，更注重學(xué)生解決問(wèn)題的方案和思路，考察其對(duì)具體現(xiàn)象的分析能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)評(píng)價(jià)方式的改革，不但能有效檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程的掌握程度，還能有效激發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，提高其實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

3 專題化教學(xué)模式的成效

實(shí)踐表明，通過(guò)專題化教學(xué)實(shí)踐，本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行了拓展和延伸，學(xué)生能更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)，為了提高課堂效率，學(xué)生必須養(yǎng)成課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的良好習(xí)慣，為了提升自己在團(tuán)隊(duì)中的作用，樂(lè)于討論和探究問(wèn)題的學(xué)生增多了，探究問(wèn)題的方式也呈現(xiàn)多樣化，學(xué)習(xí)的積極性明顯提高。在專題化教學(xué)模式的實(shí)踐過(guò)程中，教師與學(xué)生之間，學(xué)生與學(xué)生之間的頻繁溝通，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)起到積極的促進(jìn)作用。

“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程已在應(yīng)用物理專業(yè)2013級(jí)學(xué)生進(jìn)行專題化實(shí)踐。從學(xué)生網(wǎng)上生評(píng)教的情況看，實(shí)施了專題教學(xué)實(shí)踐的班級(jí)，平均打分是97.07 分，比按常規(guī)教學(xué)模式講授這門課程的班級(jí)打分要高2 分。并且2013級(jí)應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生普遍反映“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”授課形式新穎，對(duì)自己的幫助很大。比如，有同學(xué)評(píng)論到“對(duì)熵增原理這個(gè)專題的探索過(guò)程，剛開始一頭霧水，不知道從哪下手，但通過(guò)與同學(xué)老師的交流，通過(guò)在圖書館及網(wǎng)上找到的資料的學(xué)習(xí)，當(dāng)我們一起寫完綜述報(bào)告，我不僅拓寬了自己的知識(shí)面，而且逐漸學(xué)會(huì)了自學(xué)和探究的方法，這種能力對(duì)我來(lái)說(shuō)是一種財(cái)富”。

今后，“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程準(zhǔn)備進(jìn)一步在如下幾個(gè)方面加強(qiáng)實(shí)踐和探索。一是繼續(xù)凝練專題的內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的能力水平選擇相符合的專題，并跟蹤最新的相關(guān)成果，開拓教師和學(xué)生的視野。二是繼續(xù)規(guī)范實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐過(guò)程的指導(dǎo)，對(duì)學(xué)生完成的研究報(bào)告進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，及時(shí)做好教學(xué)反饋。三是繼續(xù)完善考核體系，使其能更加客觀、全面、真實(shí)地反映學(xué)生的知識(shí)和能力;四是繼續(xù)提高教學(xué)組織和管理，為專題化教學(xué)實(shí)踐和深入的教學(xué)改革創(chuàng)造更好的條件。

注釋

① 汪志誠(chéng).熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理[M].北京：高等教育出版社，2013.

② 伊厚會(huì)，姚延立.“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”課程教學(xué)改革和實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2013.8：105.

③ 謝國(guó)秋，劉仁臣，程和平.熱學(xué)和熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程整合探索與實(shí)踐[J].高等理科教育，2010（3），91：29.

④ 陳玉琨.教育評(píng)價(jià)學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1999.

⑤ 秦麗溶，趙建偉，張正嚴(yán).物理免費(fèi)師范生熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程教學(xué)改革探索[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（11），38：167.